改进的鼓泡测试方法：非屈曲与屈曲薄膜力学性能表征新策略

研究人员针对传统"1D"鼓泡测试法在测量薄膜机械性能时存在的精度低、速度慢及无法应用于屈曲薄膜等问题，开发了创新的"2D"鼓泡测试技术。该方法通过数字全息显微镜(DHM)测量薄膜全高度轮廓获取曲率κ，重构了不依赖参考状态的鼓泡方程，实现了对100nm级超薄薄膜（包括多层堆叠和压缩残余应力导致的屈曲薄膜）的快速（2分钟/曲线）、高精度（误差<0.9%）力学表征，为微电子器件可靠性评估提供了突破性解决方案。

　　

在微电子器件微型化趋势下，薄膜材料的力学性能表征面临重大挑战。传统纳米压痕法会受基底干扰，而纳米柱压缩测试需要复杂样品制备。虽然鼓泡测试能避免这些问题，但现有方法存在明显局限：标准"1D"方法仅测量单点挠度δ，存在装置漂移、薄膜下垂等问题；先进"3D"方法虽能测量全场3D位移，但需要繁琐的纳米颗粒标记和耗时的高度相关分析(DHC)。尤其对于具有压缩残余应力的薄膜，传统方法在薄膜自由支撑时会立即屈曲失效，而工业界又亟需这类易发生屈曲驱动分层的多层堆叠薄膜的力学数据。

针对这些挑战，荷兰埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology）的研究团队在《Thin Solid Films》发表创新研究，开发了"2D"鼓泡测试方法。该方法采用数字全息显微镜(DHM)快速获取薄膜高度轮廓，通过曲率κ直接计算应力σ_m和应变ε_m，无需标记图案即可在2分钟内完成完整应力-应变曲线测量，对100nm铝膜测量误差<0.9%，并首次实现了对屈曲薄膜在波纹状态下的力学表征。

关键技术包括：1）采用DHM光学轮廓仪（垂直分辨率0.3nm）快速获取高度轮廓；2）开发新型鼓泡方程σ_be=pa²/(4δh)和ε_be=2δ²/(3a²)；3）对屈曲薄膜选择波纹中点区域(ROI)进行单轴应力分析；4）通过过度蚀刻和低压成像精确测量膜尺寸。

【2. 动机和"2D"鼓泡测试方法细节】
研究系统比较了传统方法的六大局限：边缘弯曲应力、装置漂移、重力下垂、测试速度慢、蚀刻误差和屈曲失效。提出的"2D"方法通过全场高度轮廓测量，消除了对初始参考状态的依赖，解决了前四个问题；通过故意过蚀刻和快速尺寸测量解决了第五个问题；针对屈曲薄膜，利用波纹机制中的力学洞察实现表征。

【3. "2D"鼓泡测试应用于非屈曲薄膜】
数值验证显示圆形膜双轴模量K的测量误差仅0.5%。实验测得100nm铝膜弹性模量E=76±4GPa，泊松比ν=0.34±0.06，与文献值吻合。对Al合金/Al双层膜(100nm/35nm)测量得到体积平均模量135±3GPa，与混合定律预测值132GPa仅差2%，证实方法对多层膜的适用性。

【4. 屈曲长矩形膜的"2D"鼓泡测试】
通过有限元验证，确定最佳ROI尺寸为波纹中点横向55%区域。对200nm SiN屈曲膜的实验测得E=174±5GPa，残余应力-138±14MPa，虽然波纹因制造缺陷不完全平行，但仍获得与"3D"方法相当的精度。

该研究突破了传统鼓泡测试的技术瓶颈，建立的"2D"方法兼具"1D"的简便性和"3D"的精确性，首次实现了对工业界关注的屈曲薄膜的可靠表征。2分钟完成测试的速度使其特别适合工业批量检测，为微电子器件可靠性设计和失效预测提供了全新工具。通过精确测量压缩残余应力，该方法还能预警薄膜分层风险，对保障多层器件可靠性具有重要工程价值。